橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與設(shè)防措施

聶留洋

安徽巢湖路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 安徽合肥 238000

伴隨著現(xiàn)代化城市發(fā)展步伐的進(jìn)一步加快，各城市間的合作交流機(jī)會增多，往來貿(mào)易日益頻繁，在此過程中，作為連接城市與城市的紐帶——公路橋梁所發(fā)揮出的作用是非常巨大的。為進(jìn)一步發(fā)揮出公路橋梁的巨大作用，就必須持續(xù)加大公路橋梁建設(shè)力度，加大橋梁設(shè)計研究，尤其要加大公路橋梁抗震設(shè)計工作，以不斷提升橋梁建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性、耐久性及安全性。張宏杰[1]認(rèn)為，在公路橋梁建設(shè)實踐當(dāng)中，科學(xué)有效的抗震設(shè)計是提升其總體質(zhì)量、確保工程使用功能得以正常發(fā)揮及延長橋梁使用壽命的關(guān)鍵。因此，加強(qiáng)公路橋梁抗震設(shè)計意義重大。而要想使公路橋梁抗震設(shè)計工作更具科學(xué)性、合理性，就必須把握相關(guān)設(shè)計要點，如節(jié)點抗震設(shè)計、基于“性能”抗震設(shè)計、減隔震裝置優(yōu)選及橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計等，從根本上解決公路橋梁設(shè)計中安全性不足、耐久性不高的問題，確保公路橋梁工程投入運營后的使用壽命及安全性。本文通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料的梳理，分析了加強(qiáng)公路橋梁工程抗震設(shè)計的必要性及抗震設(shè)計研究現(xiàn)狀，就公路橋梁項目抗震設(shè)計要點談幾點認(rèn)識。

1 加強(qiáng)公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要性

在公路橋梁工程設(shè)計階段，注重其抗震設(shè)計對于工程整體質(zhì)量的提升、實現(xiàn)橋梁使用壽命的延長及投入運營后的行車安全起到?jīng)Q定性作用，而要實現(xiàn)公路橋梁設(shè)計安全性及耐久性指標(biāo)的提升，設(shè)計單位及設(shè)計人員應(yīng)對各個環(huán)節(jié)加以充分考慮，要運用科學(xué)、先進(jìn)的理念進(jìn)行設(shè)計，并不斷創(chuàng)新公路橋梁抗震設(shè)計方式，把握設(shè)計要點，根據(jù)實際情況制定最為科學(xué)、高效的設(shè)計方案，確保工程設(shè)計質(zhì)量滿足其交通功能需求及安全使用標(biāo)準(zhǔn)。公路橋梁是中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中非常重要的一項工作內(nèi)容，因此，加強(qiáng)公路橋梁抗震設(shè)計，不僅是對人民群眾負(fù)責(zé)，更是在為進(jìn)一步促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展做貢獻(xiàn)[2]。

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的基本標(biāo)準(zhǔn)

從當(dāng)前我國公路橋梁的抗震設(shè)計發(fā)展情況來看，橋梁的抗震設(shè)計基本為一級標(biāo)準(zhǔn)。在地震震動級別較大、震源淺、烈度較大的情況下，抗震技術(shù)參數(shù)往往會超過橋梁設(shè)計最開始考慮的范圍，如果公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計為一級，則是無法滿足整個橋梁的設(shè)計使用需求。最早時期頒布的《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》已經(jīng)不再符合現(xiàn)有社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的要求[3]。在新時期，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)具體如下所示：①橋梁的抗震設(shè)計需要根據(jù)地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模、以往抗震經(jīng)驗來選擇適合的橋型、墩臺和基礎(chǔ)形式。②橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計需要能夠為抗震設(shè)計提供有力的支持，盡量避免高墩和大跨的結(jié)合。橋梁結(jié)構(gòu)適合采用減少上部結(jié)構(gòu)自重并有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式。③公路橋梁適合應(yīng)用能夠提升橋梁結(jié)構(gòu)整體性的連接方式，并采取有效措施來提升墩臺的延性。

2 公路橋梁抗震設(shè)計研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，為了提高結(jié)構(gòu)在地震來臨時的抗破壞能力，通常采取措施提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或者采用減震裝置提高自身的變形能力。

在進(jìn)行實際的橋梁抗震設(shè)計時，需要采用一些技術(shù)或措施來提高結(jié)構(gòu)物的整體性和安全性。在傳統(tǒng)設(shè)計中，主要通過增加配筋率，增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸減輕地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，以防止倒塌，但此種處理方式因不能耗散地震能量，對于提升橋梁結(jié)構(gòu)安全性的空間有限，還會破壞工程景觀，尤其對于工程造價控制方面不利。一般來說，按照控制系統(tǒng)是否需要外加能源，分為被動控制、主動控制、混合控制和半主動控制，其中，被動控制發(fā)展相對成熟，常用的減震方法主要有三種：基礎(chǔ)隔震、耗能減震和被動調(diào)諧減震[4]。

當(dāng)前橋梁抗震設(shè)計理論已經(jīng)從過去普遍采用的基于地震力的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榛谛阅艿脑O(shè)計，橋梁抗震關(guān)注的重點已經(jīng)從結(jié)構(gòu)抗震、減震轉(zhuǎn)向震后結(jié)構(gòu)功能可恢復(fù)與快速恢復(fù)，能在不同地震強(qiáng)度下能實現(xiàn)多級性能目標(biāo)的韌性橋梁成為橋梁抗震工程界的共識及未來發(fā)展方向。

我國現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，無論是公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范（JTG/T2231-01—2020）還是城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范（CJJ166-2011）均采用三級設(shè)防的概念，希望橋梁實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”三級性能目標(biāo)。具體為：在小震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)整體保持彈性，震后不產(chǎn)生損壞，不需修復(fù)可立即恢復(fù)使用；在中震作用下，允許橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的可修復(fù)的損壞，震后可通過修復(fù)恢復(fù)交通；大震作用下，允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生不致倒塌的破壞，實現(xiàn)‘大震不倒’，避免危及生命安全。規(guī)范中與“三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)”相對應(yīng)的是‘兩階段設(shè)計方法’，即在地震（頻遇地震）作用下通過結(jié)構(gòu)截面的強(qiáng)度驗算，在地震（罕遇地震）作用下通過結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性變形驗算，并采取相應(yīng)構(gòu)造措施。當(dāng)前與‘兩階段設(shè)計方法’對應(yīng)的兩大橋梁抗震設(shè)計理論為延性設(shè)計與抗震設(shè)計。其中延性設(shè)計是通過橋梁結(jié)構(gòu)特定部位的延性變形耗散地震能量，而對于鋼筋混凝土梁橋，一般將墩柱作為延性構(gòu)件設(shè)計，但實踐表明采用延性設(shè)計方法的橋梁通常在大震后存在較大損傷、修復(fù)困難；而抗震設(shè)計通常通過在特定位置安裝減隔震裝置，通過延長結(jié)構(gòu)自振周期、增加結(jié)構(gòu)阻尼、調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度分布等減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但由于設(shè)計方法的局限性，地震中往往出現(xiàn)減隔震裝置變形過大、失效等問題。

對于連續(xù)梁橋等規(guī)則橋梁，目前其抗震設(shè)計仍普遍采用基于力的設(shè)計方法（反應(yīng)譜法），設(shè)計地震力可通過其等效單自由度系統(tǒng)的基本周期T及設(shè)計反應(yīng)譜計算，將計算出的水平地震力與結(jié)構(gòu)彈性承載力進(jìn)行對比，完成頻遇地震作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗算。然而對于罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗算，由于基于力的設(shè)計方法在結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段以后不再適用、無法有效預(yù)估罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)變形，目前主要通過試算法，對經(jīng)過強(qiáng)度驗算的橋梁進(jìn)行罕遇地震強(qiáng)度下的地震分析（通常是時程分析），將分析得到的變形與容許變形對比，若不滿足變形驗算要求，則需調(diào)整配筋、截面等重新進(jìn)行驗算，如此反復(fù)直至滿足變形要求，這一過程往往效率低下。除此之外，基于力的設(shè)計方法難以有效控制橋梁結(jié)構(gòu)在地震下的破壞程度，導(dǎo)致罕遇地震過程中減隔震裝置可能發(fā)生失效、震后橋墩等關(guān)鍵位置易出現(xiàn)較大的殘余變形等問題，造成橋梁震后可恢復(fù)性差[5]。

綜上，當(dāng)前國內(nèi)橋梁抗震設(shè)計方法存在需要迭代效率低、無法控制罕遇地震下結(jié)構(gòu)的破壞程度等問題，與韌性橋梁的發(fā)展方向不符，因此具有更佳抗震性能且性能可控的抗震體系及更簡單明確的設(shè)計方法亟待建立和完善。

3 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與設(shè)防措施要點

3.1 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

當(dāng)前，中國公路橋梁大多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性除受到地質(zhì)條件、自然條件影響外，還會受到固定荷載的影響；隨著運營時間的加長，在經(jīng)過十幾年或數(shù)十年的運營后，公路橋梁會出現(xiàn)不同程度的老化問題，抗震效果就會弱化，不利于路橋安全運行。如果直接拆除新建，就會耗費大量資金，顯然在經(jīng)濟(jì)、時間上不存在可行性。為此，必須在橋梁建設(shè)之初就加強(qiáng)抗震設(shè)計?，F(xiàn)階段，中國路橋建筑企業(yè)在應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)加固方面，能夠靈活運用加鋪鋼材或擴(kuò)大橋梁結(jié)構(gòu)橫截面面積等方式。隨著中國社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)水平的快速提升，橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)手段不斷增多、新型高性能建筑材料也在逐漸增多，比如纖維增強(qiáng)材料的研發(fā)與應(yīng)用，在提升橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性方面就起到了理想的效果[6]。

3.2 節(jié)點抗震設(shè)計

節(jié)點是連接橋梁墩體、主梁的重要傳力構(gòu)件。在橋梁結(jié)構(gòu)中，節(jié)點所起作用最大，它能夠?qū)蛄荷喜亢奢d傳遞至橋墩，并經(jīng)地面消散，保障橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在公路橋梁設(shè)計之中，如果所選取的蓋梁剛度與墩剛度參數(shù)接近，地震災(zāi)害發(fā)生時，側(cè)向慣性力就會使破橋梁結(jié)構(gòu)受損，各節(jié)點區(qū)域內(nèi)的箍筋就會在極短時間內(nèi)受到巨大作用力，其剛度就會被削弱，抗震性能就會大幅下降，無法保障橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，因此，在橋梁（抗震設(shè)計）之中，一定要嚴(yán)格把控節(jié)點設(shè)計，合理設(shè)計其剛度參數(shù)，確保橋梁抗震性能能滿足橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求。

3.3 基于“性能”抗震設(shè)計

當(dāng)前，在公路橋梁設(shè)計工作實踐之中，基于抗震性能的設(shè)計手段及方法得到了廣泛推廣與應(yīng)用?；凇靶阅堋笨拐鹪O(shè)計其實就是設(shè)計人員在進(jìn)行橋梁（抗震設(shè)計）之中，首先要明確橋梁抗震目標(biāo)要求，對橋梁主體結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行科學(xué)界定，同時嚴(yán)格按照橋梁遭遇地震風(fēng)險及應(yīng)對辦法進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，同時結(jié)合《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》、《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計，以減少橋梁在地震力作用下的破環(huán)程度，提高橋梁的使用年限[7]。

3.4 合理選擇減隔震裝置

減隔震裝置的選擇是否科學(xué)合理對橋梁減隔震效果的影響較大，因此，在進(jìn)行公路橋梁抗震設(shè)計之時，一定要做好減隔震裝置的優(yōu)選。市面上常見的橋梁減隔震裝置主要有分層橡膠支座、互動摩擦式支座、鉛芯橡膠支座、鋼阻尼器、摩擦擺減隔震支座、雙曲面球型減隔震支座等類型，選擇時切不可盲目進(jìn)行，一定要結(jié)合橋梁項目設(shè)計實際情況及抗震目標(biāo)要求靈活選用。由于不同類型的減隔震裝置性能及應(yīng)用機(jī)理是不同的，例如，摩擦擺減隔震支座減震裝置是充分應(yīng)用了鐘擺原理，利用滑動界面相互摩擦方式實現(xiàn)地震能量的消耗，從而達(dá)到減震目標(biāo)預(yù)期[6]；鉛芯橡膠支座是一種基于板式橡膠的支座，在應(yīng)用該裝置時，需在支座中心位置處放置鉛棒，使支座阻尼性能發(fā)生改變，在橋梁主體結(jié)構(gòu)及外力作用下，鉛芯會形成滯后阻尼的塑性變形，此過程中會吸收大量能量，而橡膠部分就可以為其提供重新恢復(fù)的作用力。

在橋梁抗震設(shè)計之中，上述減隔震裝置一般都不是獨立應(yīng)用的，往往配合使用，實現(xiàn)各減隔震裝置的優(yōu)勢互補(bǔ)，以達(dá)到共同提升公路橋梁結(jié)構(gòu)減隔震性能指標(biāo)。例如，可以將阻尼器與分層橡膠支座、滑動摩擦式支座進(jìn)行配合使用，以盡可能地發(fā)揮出各種減隔震裝置的抗震、減震作用，確保橋梁減隔震性能的提升。

4 結(jié)語

總而言之，加強(qiáng)公路橋梁抗震設(shè)計是保障橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的重要手段，因此，在開展公路橋梁設(shè)計之中，一定要注重其抗震設(shè)計，把握設(shè)計要點，加強(qiáng)各節(jié)點區(qū)域的抗震設(shè)計。并做好減隔震裝置的優(yōu)選工作，力求最大程度地保障橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。